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1.2.2　国内外复合材料身管技术发展动态

1.3　强度分析概述

    对复合材料身管的刚强度分析通常采用复合材料版壳理论和金属厚壁圆筒理论。在复合材料板壳理论中仅考虑板壳面内的应力和横向剪切应力，而忽略了板壳的法向应力；在厚壁圆筒理论中却不考虑面力产生的面内应力的作用。事实上，复合材料身管材料特性的各向异性和空间受力的作用，其应力也属三维分布。因此复合材料板壳的法向应力和金属厚壁圆筒的面内应力有时也会起到重要的作用。复合材料身管的分层问题就是由于法向和面内剪切应力引起的。因此对复合材料结构的研究不能局限在复合材料的板壳理论上。正因为如此，于是从各向异性厚壁圆筒的理论出发，导出复合材料身管刚强度问题的一般解，为复合材料身管的分析提供理论依据。

复合材料身管除了具有比强度、比刚度大的优点之外，另一个显著的特点在于它具有较强的可设计性。从本章给出的复合材料身管刚强度的一些结果可以表明基于其他参数均相同的复合材料身管，不同的缠绕角始终对应着身管不同的最大膛压、不同的强度分布和不同的刚度分布。因此，根据不同的设计要求，选取合适的缠绕角就会带来较为满意的结果。同时，从最大膛压与壁厚比的关系曲线中可以看到当缠绕角接近最大膛压时，复合材料的使用效率将会急剧下降。也就是说，单纯地增加壁厚并不能继续提高身管的承载能力即无论身管的壁厚如何，只要超出身管限定的内压值，身管就会失去承载能力。所以要提高身管的承载能力，采用单一缠绕角是不行的，而应采用多种材料、多种缠绕角就会得到令人满意的结果。

1.4　拟用的研究手段

对复合身管进行强度分析运用到了材料分析法，我们用复合材料结构强度分析方法对作为分析对象的复合材料身管结构进行几何描述，根据变分原理和分割近似原理，建立总体有限元模型，进行总体有限元强度分析；将总体应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场的形式保存显示出来；然后，对重点部位进行网格细化，建立局部有限元模型；再将总体应力分析所得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节点上，进行进一步局部有限元强度分析。从而具有较高的分析精度，并能有效减少对强度分析的工作量。

本文研究采用的理论和方法如下：

 (1)有限元方法

有限元方法简单的概括，就是利用简单的问题代替复杂的问题，然后进行求解。

     (2)复合材料结构基本理论

复合材料力学是分析和设计复合材料身管的基础。本文从复合材料力学理论和复合材料结构分析基本理论出发，结合复合材料身管的具体特点，建立复合材料身管有限元模型。

      (3) ABAQUS

在ABAQUS有限元软件平台上，本文建立了某型号纤维增强型复合材料身管有限元模型，分别对其进行了强度分析和刚度分析。

2  基本理论

2.1　有限元方法简介

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 (责任编辑：qin)